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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCTICA DE CHIMBORAZO

FACULTAD DE MECÁNICA

ESCUELA DE INGENIERÍA DE MANTENIMIENTO

REPARACIONES DE ELEMENTOS MECÁNICOS

PROFESOR:Ing. Eduardo Hernández

NOMBRE:Anderson Rosero

2 SEMESTRE

CÓDIGO:1262

Riobamba, 05 de julio de 2012

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EDRL

ESPOCH

29/06/2012

2012FRACTURA EN EL CIGÜENAL

RESUMENEn este trabajo se analizó la causa de la falla del cigüeñal de un motor de combustión interna. Se hicieron pruebas de dureza,. Se encontró una dureza de núcleo del cigüeñal muy baja, debido a un inadecuado tratamiento térmico. La baja resistencia del cigüeñal disminuyó su resistencia a fatiga, permitiendo la propagación de la fractura en forma de marcas de playa debido a los esfuerzos fluctuantes en un punto de concentración.

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TEMA: Análisis de fractura del elemento mecánico de un motor de combustión interna (cigüeñal)

OBJETIVOS: Objetivo General:

Analizar el tipo de fractura producida en el cigüeñal

Objetivos Específicos: Determinar las causas que produjeron la fractura de este elemento mecánico.Determinar la dureza del material de construcción del elemento mecánico.

INTRODUCCIÓN:Los motores de combustión interna, (motores a explosión), son los más usuales en los automóviles y sirven para producir fuerza. Están divididos en cuatro partes principales, que son: cárter inferior, cárter superior, bloque y culata. En el cárter inferior se encuentra el depósito de aceite; en el superior están el cigüeñal y el eje de levas, que son los ejes principales del motor, también se encuentra la bomba de aceite. El cigüeñal es el eje principal del motor, con codos en forma de manivela, que reciben el movimiento ascendente y descendente del conjunto biela-pistón, para convertir este movimiento en uno giratorio que será transmitido finalmente a las ruedas. Cada manivela está formada por dos brazos llamados brazos de manivela y por la muñequilla de manivela o muñón de biela, que gira sobre el cojinete de la cabeza de biela. Las muñequillas del eje de rotación del cigüeñal se denominan muñones de bancada. Se han investigado varias causas de fallas en los cigüeñales, en una de ellas se encontraron que la falla del cigüeñal analizado se debió a los esfuerzos cortantes, causados por una fricción inusual entre la superficie del eje y el casquillo, por reparación y ensamble inadecuados.

Figura 1. Representación esquemática de la fuerza de fricción y esfuerzos cortantes.

Otra de la posible causa de la falla del cigüeñal analizado fue causada por un incorrecto rectificado de los muñones (excesiva profundidad de corte, inadecuada lubricación y falta de acabado de la rueda), produciendo alta generación de calor sobre las superficies en contacto, originando pequeñas fisuras por fatiga térmica. En la figura 2 se muestra la superficie del muñón con fisuras en su parte central.

Figura 2. Detalle del muñón del cigüeñal con fisuras.

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Se encontró que las fisuras en el cigüeñal se originaron por fatiga de contacto debido a la alta presión y ciclos de carga. En este caso los esfuerzos de contacto se presentaron a causa de la fricción (debido al movimiento del cojinete, por a la carga axial sobre el eje) entre el casquillo y el muñón. En la figura 3 se observa marcas de playa originadas por picado, desprendimiento de material y fisuras, ocurridas después de muchas repeticiones de carga.

La duración del cigüeñal fue de cuatro meses, el cual pertenecía a un motor diesel de cuatro cilindros en línea (2,956 cc), con una potencia máxima de 85 CV a 4,000 rpm y un par máximo de 18.5 kgf-m a 2,200 rpm y usado en un camión de carga 2.5 toneladas.

Construcción: Acero AISI SAE 1045Composición [%]

C Mn S P0,43-0,50 0,60-090 0,05 Máx 0,04 Máx

PROPIEDADES MECÁNICAS [MPa]Resistencia de tracción

Resistencia de cedencia

Resistencia a flexión

Dureza Brinell

Condición

590 310 290 140 Sin tratamiento840 630 470 245 Templado en agua

y revenido a 425 C800 560 450 235 Templado en aceite

y revenido a 425 C

ANÁLISIS DEL ESTADO DE CARGA:Durante la explosión en la cámara de combustión de cada cilindro, los gases calientes generan una fuerza sobre la cabeza del pistón que se trasmite a lo largo de la biela, la que junto con la reacción de igual magnitud que se genera en el muñón de bancada, constituyen un par fuerza o torque útil. Cuando el motor gira a una velocidad rotacional constante, también se genera una fuerza centrípeta sobre el cigüeñal debida a la inercia del conjunto pistón – biela por lo cual, el diseño del cigüeñal requiere la presencia de contrapesos que equilibren dinámicamente el motor.Aunque las fuerzas causadas por la aceleración de los pistones en un motor de cilindros en línea se encuentran en el mismo plano, estas fuerzas no están en la misma línea de acción y se generan momentos desbalanceados en el plano de los cilindros. Con el fin de contrarrestar estos momentos, los cigüeñales de los motores en línea como el estudiado en este caso, se diseñan de manera que presenten una simetría con respecto a un plano perpendicular al eje del cigüeñal que pasa sobre el punto medio en la dirección axial.Las cargas en un cigüeñal generan efectos de flexión, torsión y cortante, por lo que se generan estados triaxiales de esfuerzos que cambian en el tiempo, siendo el modo de falla por fatiga el más critico. Las características dinámicas del estado de carga y la geometría compleja de los cigüeñales hace prácticamente imposible calcular exactamente los esfuerzos aún cuando se conozcan los valores exactos de las cargas externas involucradas.

ANÁLISIS MACROSCÓPICO DEL ELEMENTO MECÁNICO:El análisis de la falla ocurrida al cigüeñal empezó realizando una observación macroscópica de las partes y las superficies de fractura. Inicialmente fueron identificados los muñones de bancada y de biela del cigüeñal. Además, se puede apreciar la posición de la falla respecto a la longitud total del cigüeñal. La falla ocurrió en el muñón de biela 2, cuando se completaron aproximadamente 179 x 106 revoluciones (4 meses).La región de la falla está localizada al lado del apoyo lateral del eje cigüeñal. Se reconoció que ésta es una de las zonas críticas del diseño, dado que se caracteriza por desarrollar los mayores esfuerzos a causa de las fuerzas cortantes y el torque transmitido, en combinación con los esfuerzos alternantes de flexión generados.En la observación detallada de las superficies de fractura como la que se muestra en la figura 6, se reconocieron las características morfológicas típicas de las fallas por esfuerzos de fatiga, como son las denominadas zonas o marcas

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de playa. Se acepta ampliamente que estas zonas de playa se originan durante el crecimiento de una micro grieta bajo esfuerzos alternantes.

Figura 4. Superficie de fractura del pedazo desprendido del cigüeñal.

En la figura 5 se muestra la otra mitad de la fractura donde se observa el inicio de falla en una discontinuidad del material. De la forma de las líneas o zonas de playa se pudo deducir que la fractura se inició por el crecimiento de una micro grieta o micro fisura superficial en la zona del filete, la cual avanzó hacia el interior del eje, comprometiendo una zona débil a causa de la presencia del ducto interno de lubricación. Debido que el cigüeñal está sometido a cargas cíclicas, se presenta un mecanismo de deslizamiento atómico localizado. En este caso la fractura comenzó en una imperfección superficial donde la resistencia al corte del material del cigüeñal fue superada por los esfuerzos cortantes. Los esfuerzos fluctuantes provocan que se propaguen las fisuras sobre la superficie de fractura.

Figura 5. Detalle de la superficie de fractura del cigüeñal truncado.

La figura 6 es una representación esquemática de las marcas de playa y la propagación de la fisura. Las imperfecciones micro estructurales ayudan en el inicio de fisuras que aumentan la concentración de esfuerzos. Las marcas de playa indican la posición de la fisura progresiva en un instante dado. Debido a que la sección transversal se debilita gradualmente, la fisura crece más rápido y las marcas de playa son más separadas y más grandes, de esta manera se puede identificar el origen de la falla. Finalmente se presenta una fractura súbita por desgarre ya que la sección del eje no puede soportar las cargas aplicadas.

Figura 6. Esquema de la falla por fatiga.

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Como la resistencia a los esfuerzos de fatiga es significativamente dependiente de la cantidad y distribución de imperfecciones del material, se considera como una regla diseñar los elementos sometidos a fatiga con un factor de seguridad superior a dos.

INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOSTipos de fracturas

Imágenes de comparación

Imágenes obtenidas

Resultados

Según la dureza del material

Dúctil

Si, porque presenta superficies demasiado irregular con deformación plástica abundante.

Frágil No, tiene una superficie sin irregularidades y de apariencia pulida.

Según la naturaleza de

la fractura

SúbitaSi, hasta una cierta parte porque primero se produce una fractura por fatiga y luego pasa a ser súbita.

Fatiga

Si, Se produjo por la presencia de esfuerzos cíclicos originados generalmente por desalineamientos, vibraciones, desbalanceos.

Según el tipo de esfuerzos

Tracción

No, Esta fractura presenta anillos concéntricos que se propagan desde el borde exterior hacia el centro de la fractura. Las grietas se presentan en forma radial situadas en el borde exterior y de pequeña extensión.

Flexión

Si, la fractura inicia en un solo punto o en una pequeña área y avanza súbitamente o progresivamente hasta el otro extremo del material.

Cizallamiento No, porque el origen de la fractura es donde observa una deformación por motivo de la cizalladura donde no se aplicó una fuerza para luego observar el corte del material y terminar con un desgarramiento del mismo.

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Por torsión

No, porque La fractura no es perpendicular al eje con marcas elípticas concéntricas al eje

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONESEs conveniente realizar un tratamiento térmico de endurecimiento superficial, como la nitruración. La baja dureza está directamente relacionada con un punto de fluencia bajo y por lo tanto con una baja resistencia a la fatiga.

Se concluye que el tratamiento térmico de bonificado realizado sobre el cigüeñal se desarrolló fuera de las normas, obteniéndose una resistencia menor al límite mínimo recomendado.

Las causas por las cuales el tratamiento de bonificado no permitió lograr la resistencia mínima recomendada pueden ser la elección de una temperatura de austenización demasiado alta, la elección de una temperatura de revenido muy alta o bien un tiempo de mantenimiento excesivo a la temperatura de revenido apropiada.

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